EP0216703A2 - Substrat conducteur et transparent pour élément photoélectrique - Google Patents

Substrat conducteur et transparent pour élément photoélectrique Download PDF

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EP0216703A2 EP86402059A EP86402059A EP0216703A2 EP 0216703 A2 EP0216703 A2 EP 0216703A2 EP 86402059 A EP86402059 A EP 86402059A EP 86402059 A EP86402059 A EP 86402059A EP 0216703 A2 EP0216703 A2 EP 0216703A2
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Masao Misonou
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a substrate which is both conductive and transparent for a photoelectric element consisting for example of a glass plate coated with a conductive and transparent layer based on tin oxide, this element being usable in particular in cells or solar cells.
  • solar cells having as photoelectric element a transparent conductive substrate coated with amorphous silicon a-Si and provided with aluminum electrodes. Such solar cells have a low photoelectric conversion rate and to improve it we have sought to make the substrate as conductive as possible by doping the tin oxide layer with fluorine.
  • the present invention aims to solve this problem and to provide a transparent substrate, in particular made of glass, coated with a layer based on tin oxide, usable as a photoelectric element in particular in solar cells, and making it possible to '' achieve high photoelectric conversion rates, higher than those obtained with photoelectric elements whose tin oxide layer is doped with fluorine.
  • a transparent substrate consisting of a support, in particular made of glass, coated with a conductive and transparent layer based on tin oxide obtained by thermal decomposition and oxidation in contact with the support brought to high temperature, d '' a tin compound containing chlorine but no other halogen, or a tin compound without chlorine but to which is added in addition another compound containing chlorine such as HCl, this conductive layer, based on tin oxide having a thickness at least equal to 0.7 micron.
  • Tin compounds containing chlorine, and no other halogen than chlorine are however preferable to non-chlorine tin compounds to which a chlorine-containing compound such as HCl is added in addition.
  • the C.V.D. method can be used. (Chemical Vapor Deposition) consisting in bringing a vapor of these compounds into contact with the heated support, the method of pyrolysis of solution consisting in spraying a solution of these compounds on the heated support, or any other method, in particular the method of pyrolysis powder.
  • the C.V.D. method is preferably used, advantageous in particular for its flexibility of use and the quality of the deposit obtained.
  • the transparent support, in particular the glass is then heated to a temperature of the order of 400 to 600 ° C.
  • the expected thickness of the conductive layer of tin oxide is at least 0.7 micron, but preferably, to further improve the photoelectric conversion rate, it is of the order of 0.8 to 1.2 microns.
  • Solar cells were produced on the one hand from conductive substrates according to the invention, on the other hand from conventional substrates and performance comparisons were made.
  • soda-lime glass supports 25 mm x 30 mm, 1.1 mm thick are prepared, washed, dried and covered with a layer of silica, . then, they are coated with a transparent layer based on tin oxide to obtain the substrate according to the invention, by the CVD method, by sending on them, when they are heated to approximately 550 ° C., a gas consisting of monobutyl tin trichloride vapor (C4H9SnCl3), water vapor, oxygen and nitrogen.
  • a gas consisting of monobutyl tin trichloride vapor (C4H9SnCl3), water vapor, oxygen and nitrogen.
  • amorphous silicon solar cells by proceeding as follows: . a first thickness of silicon, p-type semiconductor, doped with boron (a-SiC: H) of about 0.015 micron in thickness, is deposited on the tin oxide layer, . a second thickness of silicon, of intrinsic semiconductor (a-Si: H) of approximately 0.5 micron is then deposited, .
  • Si ( ⁇ C-Si) H monocrystalline of about 0.05 micron.
  • a monosilane gas SiH4 is used as a raw material under a pressure of approximately 170 pa, distributed by a high frequency luminescent discharge device of the capacitive coupling type, .
  • the aluminum electrodes (approximately 0.1 micron thick) are deposited, for example by the vacuum vaporization method (vacuum of the order of 10-4 pa). When these aluminum electrodes are produced, a cover is placed with holes 2 mm in diameter and solar cells with a diameter of 2 mm are thus produced.
  • the batteries produced from substrates "A” have a better energy conversion rate than those manufactured from substrates "B".
  • the electrical resistance is slightly lowered, due to the thickness on the one hand, and the fact that the size of the crystals formed is increased, which favorably modifies the surface condition of the layer, on the other hand.

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Abstract

L'invention concerne un substrat transparent et conducteur utilisable comme élement photoélectrique.
Elle propose d'utiliser comme substrat un support tel que le verre revêtu d'une épaisseur au moins égale à 0,7 micron, d'oxyde d'étain obtenu par décomposition thermique et oxydation d'un composé d'étain contenant du chlore, mais aucun autre halogène.
L'invention s'applique à la réalisation de piles solaires.

Description

  • La présente invention concerne un substrat à la fois conduc­teur et transparent pour élément photoélectrique constitué par exemple d'une plaque de verre revêtue d'une couche conductrice et transparente à base d'oxyde d'étain, cet élément étant utilisable notamment dans des cellules ou piles solaires.
  • Il existe des piles solaires ayant comme élément photoélec­trique un substrat conducteur transparent revêtu de silicium amorphe a-Si et muni d'électrodes en aluminium. De telles piles solaires ont un faible taux de conversion photoélectrique et pour l'améliorer on a cherché à rendre le substrat le plus conducteur possible en dopant la couche d'oxyde d'étain à l'aide de fluor.
  • On a ainsi obtenu une amélioration du rendement des piles so­laires pour des épaisseurs de couches d'oxyde d'étain qui étaient clas­siquement inférieures à 0,6 micron.
  • Pour encore abaisser la résistance électrique des couches d'oxyde d'étain dopées au fluor, on a tout logiquement augmenté leur épaisseur, mais il est apparu que le taux de conversion photoélectrique au lieu de s'améliorer encore, au contraire diminuait à partir d'une épaisseur de couche conductrice de l'ordre de 0,7 micron.
  • La présente invention vise à résoudre ce problème et à four­nir un substrat transparent, notamment en verre, revêtu d'une couche à base d'oxyde d'étain, utilisable en tant qu'élément photoélectrique en particulier dans des piles solaires, et permettant d'atteindre des taux de conversion photoélectrique élevés, supérieurs à ceux obtenus avec des éléments photoélectriques dont la couche d'oxyde d'étain est dopée au fluor.
  • Pour cela, elle propose un substrat transparent constitué d'un support, notamment en verre, revêtu d'une couche conductrice et transparente à base d'oxyde d'étain obtenue par décomposition thermique et oxydation au contact du support porté à haute température, d'un com­posé d'étain contenant du chlore mais aucun autre halogène, ou d'un composé d'étain sans chlore mais auquel on ajoute en appoint un autre composé contenant du chlore tel que HCl, cette couche conductrice, à base d'oxyde d'étain ayant une épaisseur au moins égale à 0,7 micron.
  • Les composés d'étain contenant du chlore, et aucun autre ha­logène que le chlore, sont toutefois préférables aux composés d'étain sans chlore auxquels on ajoute en appoint un composé contenant du chlo­re tel HCl.
  • Comme composés d'étain utilisables et contenant du chlore, on peut citer :
    C₄H₉SnCl₃
    SnCl₄
    (CH₃)₂SnCl₂ , etc...
  • Comme composés d'étain ne contenant pas de chlore, mais aux­quels on peut adjoindre un autre composé contenant du chlore, on peut citer :
    (CH2n+1)₄Sn avec n = 1, 2, 3 ou 4
    (CH₃)₂SnH₂ , (C₄H₉)₃SnH
    (CH₄H₉)₂Sn(COOCH₃)₂ , etc
  • Pour mettre ces composés d'étain en contact avec le support chauffé, et obtenir leur décomposition et leur oxydation, on peut uti­liser la méthode C.V.D. (Chemical Vapor Deposition) consistant à mettre une vapeur de ces composés en contact avec le support chauffé, la mé­thode de pyrolyse de solution consistant à pulvériser une solution de ces composés sur le support chauffé, ou toute autre méthode, en parti­culier la méthode de pyrolyse de poudre.
  • Parmi toutes ces méthodes, on utilise de préférence la métho­de C.V.D., avantageuse en particulier pour sa souplesse d'utilisation et la qualité du dépôt obtenu. Le support transparent, notamment le verre, est alors chauffé à une température de l'ordre de 400 à 600°C.
  • L'épaisseur prévue de la couche conductrice d'oxyde d'étain est au moins de 0,7 micron, mais de préférence, pour améliorer encore le taux de conversion photoélectrique, elle est de l'ordre de 0,8 à 1,2 microns.
  • Un exemple de réalisation de l'invention sera maintenant dé­crit en détail en relation avec la figure unique jointe qui représente la variation du taux de conversion d'énergie de piles solaires à sili­cium amorphe utilisant des couches conductrices d'oxyde d'étain selon l'invention d'une part, classiques d'autre part, en fonction de l'épaisseur de ces couches.
  • Des piles solaires ont été réalisées d'une part à partir de substrats conducteurs selon l'invention, d'autre part à partir de subs­trats classiques et des comparaisons de performances ont été faites.
  • Pour réaliser ces piles solaires, on procède comme suit :
    . on prépare des supports en verre sodo-calcique de 25 mm x 30 mm, de 1,1 mm d'épaisseur, on les lave, on les sèche et on les recouvre d'une couche de silice,
    . ensuite, on les revêt d'une couche transparente à base d'oxyde d'étain pour obtenir le substrat selon l'invention, par la méthode C.V.D., en envoyant sur eux, lorsqu'ils sont chauffés à environ 550°C, un gaz constitué de vapeur de monobutyl trichlorure d'étain (C₄H₉SnCl₃), de vapeur d'eau, d'oxygène et d'azote.
  • En faisant varier le temps de dépôt sur 7 supports en verre, on a obtenu 7 épaisseurs différentes de couche d'oxyde d'étain : 0.20 - 0.39 - 0.59 - 0.7 - 0.8 - 0.98 et 1.15 microns. Ces supports ainsi re­vêtus d'une couche selon l'invention sont appelés les substrats "A".
  • Pour faire des comparaisons, sur des supports en verre iden­tiques, on dépose par C.V.D. des couches d'oxyde d'étain dopé au fluor en ajoutant au gaz utilisé pour réaliser les échantillons "A" un gaz fluoré : du 1.1-difluoroéthane.
  • En faisant varier les temps de dépôt, on obtient 6 substrats "B" ayant les épaisseurs de couche d'étain dopé au fluor suivantes : 0.19 - 0.37 - 0.57 - 0.75 - 0.92 et 1.10 microns. Avec ces substrats "A" et "B" on fabrique des piles solaires au silicium amorphe en procé­dant comme suit :
    . on dépose sur la couche d'oxyde d'étain une première épaisseur de si­licium, semi-conducteur de type p, dopé au bore (a-SiC:H) de 0.015 mi­cron d'épaisseur environ,
    . on dépose ensuite une seconde épaisseur de silicium, de semi-­conducteur intrinsèque (a-Si:H) de 0,5 micron environ,
    . puis une troisième épaisseur dopée au phosphore, semi-conductrice de type n, Si(µC-Si):H monocristalline de 0.05 micron environ. On utilise pour cela comme matière première un gaz de monosilane SiH₄ sous une pression d'environ 170 pa, distribué par un dispositif de décharge lu­minescente à haute fréquence de type à couplage capacitif,
    . ensuite on dépose les électrodes en aluminium (d'épaisseur environ 0.1 micron) par exemple par la méthode de vaporisation sous vide (vide de l'ordre de 10-⁴ pa). Au moment de la réalisation de ces électrodes en aluminium, on pose un cache ayant des trous de 2 mm de diamètre et on fabrique ainsi des piles solaires de 2 mm de diamètre.
  • En exposant les piles solaires ainsi obtenues à une lumière de 100 mW/cm² d'AM1, on mesure le taux de conversion d'énergie et on utilise ces résultats pour construire les courbes de la figure jointe.
  • D'après cette figure, on remarque que lorsque l'épaisseur est supérieure à 0.7 micron, les piles fabriquées à partir des substrats "A" ont un meilleur taux de conversion de l'énergie que celles fabri­quées à partir des substrats "B".
  • On peut admettre que la transmission lumineuse obtenue avec des couches à base d'oxyde d'étain résultant d'un composé contenant du chlore, mais absolument aucun autre halogène et en particulier pas de fluor, soit meilleure que pour des couches d'oxyde d'étain dopées au fluor. Même si la résistance électrique d'une telle couche non dopée est plus faible que celle d'une couche dopée au fluor, du fait de la meilleure transmission de la lumière visible, le taux de conversion photoélectrique est amélioré.
  • En outre pour des épaisseurs un peu élevées de la couche d'oxyde d'étain, supérieures à celles de l'ordre de 0.5 micron classi­quement employées, et en particulier supérieures à 0.7 micron, la ré­sistance électrique est un peu abaissée, du fait de l'épaisseur d'une part, et du fait que la taille des cristaux formés est augmentée, ce qui modifie de façon favorable l'état de surface de la couche, d'autre part.

Claims (6)

1. Substrat conducteur et transparent pour élément photoélec­trique, notamment d'une pile solaire, comprenant un support en particu­lier en verre, revêtu d'une couche conductrice transparente, caractérisé en ce que cette couche est à base d'oxyde d'étain et est obtenue par décomposition thermique et oxydation au contact du support porté à hau­te température d'un composé d'étain contenant du chlore mais aucun au­tre halogène, ou d'un composé d'étain sans chlore mais auquel on ajoute un autre composé contenant du chlore tel HCl, cette couche conductrice ayant une épaisseur d'au moins 0.7 micron.
2. Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'étain dont il est recouvert a une épaisseur de 0.8 à 1.2 microns.
3. Substrat selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté­risé en ce que le composé d'étain contenant du chlore est choisi dans le groupe comprenant le monobutyl trichlorure d'étain, le tétrachlorure d'étain, le diméthyl dichlorure d'étain.
4. Substrat selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté­risé en ce que le composé d'étain exempt de tout halogène est choisi parmi le groupe comprenant :
(CH2n+1)₄Sn avec n = 1, 2, 3 ou 4
(CH₃)₂SnH₂ , (C₄H₉)₃SnH
(CH₄H₉)₂Sn(COOCH₃)₂ .
5. Pile solaire au silicium amorphe, caractérisée en ce qu'elle possède un substrat transparent conducteur comprenant un sup­port en verre revêtu d'une couche à base d'oxyde d'étain obtenue à par­tir d'un composé d'étain contenant du chlore à l'exception de tout autre halogène, d'une épaisseur au moins égale à 0.7 micron.
6. Pile solaire selon la revendication 5, caractérisée en ce que le substrat à couche d'oxyde d'étain est recouvert d'épaisseurs de silicium amorphe et d'électrodes en aluminium.
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